CN106941343A - 一种线性可变增益放大器 - Google Patents
一种线性可变增益放大器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106941343A CN106941343A CN201710017902.XA CN201710017902A CN106941343A CN 106941343 A CN106941343 A CN 106941343A CN 201710017902 A CN201710017902 A CN 201710017902A CN 106941343 A CN106941343 A CN 106941343A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gain
- current
- transistor
- output
- amplifier
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 8
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims 2
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 8
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 7
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 7
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 7
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 4
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 3
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000009125 negative feedback regulation Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000009123 feedback regulation Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 102220067365 rs143592561 Human genes 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G3/00—Gain control in amplifiers or frequency changers
- H03G3/02—Manually-operated control
- H03G3/04—Manually-operated control in untuned amplifiers
- H03G3/10—Manually-operated control in untuned amplifiers having semiconductor devices
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G1/00—Details of arrangements for controlling amplification
- H03G1/0005—Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal
- H03G1/0017—Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal the device being at least one of the amplifying solid state elements of the amplifier
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种线性可变增益放大器，包括增益档位选择单元、电流增益微调单元、输出单元和控制单元，所述增益档位选择单元接收前级输出的差分信号，并根据信号幅度与增益要求实现不同的电流增益；所述电流增益微调单元对电流增益进行微调，在当前选择的增益档位上进行衰减，衰减范围连续可调；所述输出单元将增益调节后的输出电流转换成电压，并通过共模电压反馈技术稳定输出信号的共模电平。本发明实现增益连续线性调节，具有增益调节范围宽、增益控制精确、信号动态范围大、输出共模电平稳定、增益线性度好、增益温度稳定性好等优点，用于示波器的输入信号调理，根据垂直档位设置合适的增益。
Description
技术领域
本发明涉及一种线性可变增益放大器。
背景技术
可变增益放大器是示波器模拟通道中最重要的组件，基本决定了示波器模拟通道中大部分模拟性能，包括垂直灵敏度、带宽、噪声、温漂等关键指标。通过改变可变增益放大器的增益可以灵活的调节示波器的垂直灵敏度，扩展示波器的垂直动态范围。
参考图1，典型的示波器100包括信号输入端101、高阻衰减网络102、交直流耦合电路103、单位增益缓冲电路104、垂直偏移电路105、可变增益放大电路106、带宽限制电路107、模数转换电路(ADC)108、控制处理单元109等。
被测信号通过输入信号端口101进入示波器100后首先通过高阻衰减网络102对输入的大信号进行衰减，以使信号符合后级电路的输入要求；交直流耦合电路103用于选择是否滤除输入信号中的直流成分，当输入信号的直流成分过大，影响波形的观察，就可以选择交流耦合；垂直偏移电路105用于调节波形在显示器上的垂直位置，增加波形观察的灵活性；单位增益缓冲电路104对输入信号进行缓冲，隔离前后级电路之间的影响，增加对后级的驱动能力；带宽限制电路107用于选择示波器的输入带宽，通常要求至少有20MHz带宽限制；可变增益放大电路106根据当前的垂直档位设置相应的增益以符合模数转换器的输入范围要求；模数转换器108对模拟信号进行采样量化，转换成数字信号，并传输给控制处理单元；控制处理单元109对采样量化的数字信号进行波形重构并显示，同时根据用户设置对模拟通道相关部件进行控制。
可变增益放大器106直接决定了示波器100所能达到的垂直灵敏度(示波器垂直档位一般称为垂直灵敏度)。通常示波器要求垂直灵敏度能够实现1-2-5步进调节，垂直灵敏度越高，要求的增益越大。用户根据被测波形选择合适的垂直灵敏度，以使波形显示更完整清晰。
美国公开专利文件US4695806公开了一种精密程控有源衰减器。
参考图2，该可变增益放大器包括一个下端射极耦合晶体管对Q1、Q2，一个连接所述晶体管对发射级的电阻10，两个偏置恒流源12、14，两个上端射极耦合晶体管对Q3、Q4和Q5、Q6，两个偏置分压电阻30、32，两对输出电阻44、46与48、50，两个运放U1、U2，一个电流检测电阻R，第三晶体管Q3、Q6的集电极分别作为放大器的输出端40、42。
其中所述的偏置恒流源分别接在第一晶体管Q1、Q2的发射级与负电源-V之间用于提供晶体管正常工作需要的静态工作点，每个偏置电流源12、14产生放大器工作点的共模偏置电流ICM的一半。第一晶体管Q1的基极连接至输入节点16与偏置电阻18，晶体管Q2的基极连接至输入节点20与偏置电阻22。差分输入信号Vi输入至节点16、20，电阻10两端的电压产生信号电流Ii，与共模偏置电流ICM叠加在晶体管对Q1、Q2的集电极。
所述的第三晶体管Q3、Q4的发射极耦合在一起并与Q1的集电极相连，第五晶体管Q5、Q6的发射极耦合在一起并与Q2的集电极相连，Q3、Q6的基极一起连接到有电阻30、32分压得到的偏置电压Vb上，Q4、Q5的基极一起连接到运算放大器U2的输出。Q3、Q6集电极分别连接到到输出端40、42，负载电阻网络48、50放置于Q3、Q6的集电极之间，产生差分输出电压Vo。电阻44、46远大于电阻48、50，用于检测输出信号Vo的共模电平，利用运放U1的负反馈作用调节负载电阻48、50公共端的电压使输出共模电平与参考电平VREF相等。电阻R的一端接在负载电阻48、50的公共端，一端接在运放U2的同相端，运放U2的反相端接参考电平VREF。
所述第一晶体管Q1、Q2与电阻10将输入电压vi转换成电流Ii，所述信号电流一部分通过第三晶体管Q3、Q6输出到负载电阻48、50上，转换成输出电压vo。另一部分电流经过第四晶体管Q4、Q5，电阻R被旁路，使得电流增益变小。通过改变电阻R的大小可以对所述可变增益放大器的增益进行调节。
可见，上述的可变增益放大器是通过改变电阻R与RL的比值，控制流过负载电阻的电流从而达到减小电流增益衰减输出信号的目的，电阻R可以是可调电阻或者数字电位器。当R＝∞时，差分放大器的电流增益没有损失的转换为电压增益，Av＝4RL/第一输出共模电压采样电阻R10；当R＝0时，差分放大器的输出电流全部被Q4、Q5旁路，电流增益为0。
一般高带宽放大器的增益电阻都较小，假设第一输出共模电压采样电阻R10＝400，RL＝100，则该放大器的最大增益接近1，R至少要接近900，才能实现0.9倍电流增益，R为11.11时，电流增益为0.1。目前市面上大部分数字电位器的最小电阻都超过30Ω，而且电阻越小误差越大，很难实现小增益。该电路虽然理论上可以实现0～1倍的电流增益连续可调，但是实际应用中受限于数字电位器的精度与可调范围，能达到0.1～0.9就已经很不错，增益可调范围较窄。而且数字电位器的成本较高，对于成本敏感型的应用不适用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种线性可变增益放大器。为实现上述目的本发明的具体方案如下：
一种线性可变增益放大器，包括增益档位选择单元、电流增益微调单元、输出单元以及控制单元，其中：
所述增益档位选择单元包括一对差分信号输入端，并包括至少两个增益单元，以将输入的电压信号转换成电流信号，并根据档位选择实现不同的电流增益；
所述电流增益微调单元包括一对用于接收所述增益档位选择单元输出电流的差分电流输入端、一对用于连接所述输出单元的差分电流输出端，以及用于与所述控制单元连接的控制信号端，以根据所述控制单元的设置对所述增益档位选择单元的输出电流部分旁路，从而达到减小电流增益的目的；
所述输出单元接收所述电流增益微调单元的输出电流并转换成电压，并将转换得到的电压输出。
优选的，每个所述增益单元都包括恒流源，所述恒流源与所述控制单元连接，用于控制恒流源的开关状态从而切换当前工作的增益单元。
优选的，所述增益档位选择单元包括第一晶体管对Q1L、Q2L与第二晶体管对Q1H、Q2H，第一增益电阻对RL1、RL2与第二增益电阻对RH1、RH2，以及两个偏置恒流源；
第一晶体管对Q1L、Q2L与第二晶体管对Q1H、Q2H并联，第一晶体管对Q1L、Q2L的第一低增益晶体管Q1L的基极与第二晶体管对Q1H、Q2H的第一高增益晶体管Q1H的基极连接并与正输入信号+Vi/2相连，第一晶体管对Q1L、Q2L的第二低增益晶体管Q2L的基极与Q2H的基极连接并与负输入信号-Vi/2相连，两输入信号等值反相；第一低增益晶体管Q1L的集电极与第一高增益晶体管Q1H的集电极相连于节点410产生正输出电流，第二低增益晶体管Q2L的集电极与第二晶体管对Q1H、Q2H的第二高增益晶体管Q2H的集电极相连于节点411产生负输出电流；第一晶体管对Q1L、Q2L的发射级分别与第一增益电阻对RL1、RL2的两个增益电阻连接，第二增益电阻对RH1、RH2的另一端连接到偏置恒流源；第二晶体管对Q1H、Q2H的发射级分别与第二增益电阻对RH1、RH2的两个增益电阻连接，第二增益电阻对RH1、RH2的另一端连接到另一偏置恒流源；所述偏置电流源由控制单元控制开关，当偏置恒流源打开则相应的增益档位也选中。
优选的，所述电流增益微调单元包括第三晶体管对Q3、Q5与第四晶体管对Q4、Q6，以及一个第二运放U2；
所述第三晶体管对Q3、Q5的发射级相耦合并连接到所述增益档位选择单元的正电流输出端，第四晶体管对Q4、Q6的发射极相耦合并连接到所述增益档位选择单元的负电流输出端；第三晶体管对Q3、Q5的第三晶体管Q3与第四晶体管对Q4、Q6的第四晶体管Q4的基极相连并连接到偏置电压Vb，第三晶体管对Q3、Q5的第五晶体管Q5与第四晶体管对Q4、Q6的第六晶体管Q6的基极相连并连接到第二运放U2的输出端，第五晶体管Q5与第六晶体管Q6的集电极相连并连接到第二运放U2的同相端，第二运放U2的反相端连接到增益控制电压VG，所述增益控制电压VG由控制单元产生；第三晶体管Q3的集电极产生正输出电流，第四晶体管Q4的集电极产生负输出电流。
优选的，所述输出单元包括第一电流电压转换电阻RC1、第二电流电压转换电阻RC2，第一输出共模电压采样电阻R1、第二输出共模电压采样电阻R2，一个用于输出共模电压反馈的第一运放U2，以及一个电阻RG；
所述电流电压转换电阻第一电流电压转换电阻RC1、第二电流电压转换电阻RC2一端分别连接至所述电流增益微调单元的电流输出端，另一端一起连接到第一运放U2的输出；所述电阻RG一端连接到第二运放U2的同相端，另一端连接到第一运放U2的输出端；所述输出共模电压反馈采样电阻第一输出共模电压采样电阻R1、第二输出共模电压采样电阻R2一端分别连接至所述电流增益微调单元的电流输出端，另一端一起连接到第一运放U2的反相端。
优选的，所述电流电压转换电阻第一电流电压转换电阻RC1、第二电流电压转换电阻RC2分别并联有电容，或分别并联有电容在分别并联电感，或分别串联电感，以使不改变增益的前提下补偿带宽和幅频响应曲线。
优选的，所述增益档位选择单元由三个或以上射极耦合晶体管对并联，以实现不同的增益档位，使增益调节范围更宽。
优选的，所述第一晶体管对Q1L、Q2L的发射极与所述第二晶体管对Q1H、Q2H的发射极之间连接有电容，或串联有电容及电阻，以使不改变增益的前提下补偿带宽和幅频响应曲线。
优选的，所述第一运放U2的输出端连接有射极跟随器，用于提供所述第一运放U2输出端的静态偏置电流，以减小第一运放U2的输出电流要求。
优选的，所述偏置恒流源包括第一晶体管Q1，所述第一晶体管Q1的发射极连接有发射极偏置电阻RE，所述第一晶体管(Q1)的发射极与基极之间连接有基极偏置电阻RB，且所述第一晶体管Q1的基极设有与控制单元相连的控制信号端。
本发明提供的一种线性可变增益放大器通过调节增益电压与旁路电流检测电阻上的电压进行比较，利用运放负反馈作用调节运放输出电压改变第二晶体管对的基极电压，从而控制旁路电流达到改变电流增益的目的。与现有技术的通过改变电阻实现调节电流增益的方式相比实现更简单，成本更低，而且增益连续可调，增益线性度更高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为现有技术中典型的示波器原理框图；
图2为美国公开专利文件US4695806公开的一种精密程控有源衰减器电路原理图；
图3为本发明实施例模块示意图；
图4为本发明实施例电路原理图；
图5为本发明实施例偏置恒流源优选方案；
图6为本发明实施例改进方案电路原理图；
图7为本发明实施例在示波器上的具体应用例。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例
如图3所示，本发明提出的一种线性可变增益放大器200，包括一个增益档位选择单元203、一个电流增益微调单元206、一个输出单元207和一个控制单元208。
所述增益档位选择单元203具有一对差分信号输入端201、202、一对与所述电流增益微调单元连接的差分电流输出端和与所述控制单元连接的增益档位选择信号。
所述增益档位选择单元203包括一个低增益单元204和一个高增益单元205，每组所述增益单元均包括一个用于为放大器提供正常工作所需偏置电流的恒流源，每个恒流源具有一个与之对应的增益单元的开关控制端与控制单元连接，用于控制恒流源的开关状态从而切换当前工作的增益单元。
所述增益档位选择单元203用于将输入的电压信号转换成电流信号，并根据档位选择不同具有高电流增益与低电流增益两种模式，通过所述控制单元控制对应恒流源的开关状态实现。
所述电流增益微调单元206具有一对差分电流输入端用于接收所述增益档位选择单元的输出电流、一对差分电流输出端连接所述输出单元和与所述控制单元连接的控制信号端。
所述电流增益微调单元206根据控制单元的设置对所述增益档位选择单元的输出电流部分旁路，从而达到减小电流增益的目的。
所述输出单元207具有一对差分电流输入端用于接收所述电流增益微调单元的输出电流并转换成电压、一对输出信号端209、210用于将转换得到的电压输出。
本发明所述的可变增益放大器200通过两个具有高低不同电流增益的放大器构成增益档位选择单元，通过控制单元选择其中一个放大器的恒流源的开关状态来选择高低增益两个档位，电流增益微调单元将该放大器的输出电流做部分旁路来衰减信号，本发明使用上述思想得到增益可以连续线性调节、增益调节范围宽、增益稳定度高、带宽稳定度高、信号动态范围大的可变增益放大器。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
结合参考图4，给出了该可变增益放大器的具体形式，该实例包括增益档位选择单元401、电流增益微调单元402、输出单元403。
所述增益档位选择单元401包括两个第一晶体管对Q1L、Q2L与第二晶体管对Q1H、Q2H，两个第一增益电阻对RL1、RL2与RH1、RH2，两个偏置恒流源。所述两个晶体管对并联，Q1L的基极与Q1H的基极连接并与正输入信号+Vs/2相连，Q2L的基极与Q2H的基极连接并与负输入信号-Vs/2相连，两输入信号等值反相；Q1L的集电极与Q1H的集电极相连于节点410产生正输出电流，Q2L的集电极与Q2H的集电极相连于节点411产生负输出电流；第一晶体管对Q1L、Q2L的发射级分别与第一增益电阻对RL1、RL2连接，第二增益电阻对RH1、RH2的另一端连接到偏置恒流源；第二晶体管对Q1H、Q2H的发射级分别与两个增益电阻RH1、RH2连接，增益电阻RH1、RH2的另一端连接到另一偏置恒流源；所述偏置电流源由控制单元控制开关，当偏置恒流源打开则相应的增益档位也选中。
所述电流增益微调单元402包括第三晶体管对Q3、Q5与第四晶体管对Q4、Q6和一个运放U2。所述第三晶体管对Q3、Q5的发射级相耦合并连接到所述增益档位选择单元401的正电流输出端410，第四晶体管对Q4、Q6的发射极相耦合并连接到所述增益档位选择单元401的负电流输出端411；第三晶体管Q3、Q4的基极相连并连接到偏置电压Vb，第五晶体管Q5、Q6的基极相连并连接到运放U2的输出端412，第五晶体管Q5、Q6的集电极相连并连接到运放U2的同相端415，运放U2的反相端连接到增益控制电压VG，所述增益控制电压VG由控制单元产生；第三晶体管Q3的集电极产生正输出电流，第四晶体管Q4的集电极产生负输出电流。
所述输出单元403包括两个电流电压转换电阻第一电流电压转换电阻RC1、第二电流电压转换电阻RC2，两个输出共模电压采样电阻第一输出共模电压采样电阻R1、第二输出共模电压采样电阻R2，一个输出共模电压反馈运放U1，一个电阻RG。所述电流电压转换电阻第一电流电压转换电阻RC1、第二电流电压转换电阻RC2一端分别连接至所述电流增益微调单元402的电流输出端413、414，另一端一起连接到运放U1的输出416；所述电阻RG一端连接到运放U2的同相端，另一端连接到运放U1的输出端416；所述输出共模电压反馈采样电阻第一输出共模电压采样电阻R1、第二输出共模电压采样电阻R2一端分别连接至所述电流增益微调单元402的电流输出端413、414，另一端一起连接到运放U1的反相端。
为使推导过程更直观易懂，下面假设8个晶体管的特性完全一致且α＝1，低增益放大器的增益电阻RL1＝RL2＝RL，高增益放大器RH1＝RH2＝RH，两个偏置恒流源的电流相同都为2IE，且偏置恒流源的交流阻抗为无穷大，输出电流电压转换电阻第一电流电压转换电阻RC1＝第二电流电压转换电阻RC2＝RC，输出共模电压采样电阻第一输出共模电压采样电阻R1＝第二输出共模电压采样电阻R2且远大于RC。
所述的增益档位选择单元401实际上是两个并联的差分放大器射极耦合输入级，可以视为电压电流转换器，当偏置恒流源工作则选中对应的增益档位。以低增益档位为例，控制单元输出控制信号LG控制低增益放大器偏置恒流源打开产生偏置电流2IE，由于放大器两边完全对称且α＝1，则第一晶体管Q1L与Q2L的集电极静态偏置电流都为IE，由于偏置恒流源的交流电阻为无穷大，所以第一晶体管Q1L与Q2L的集电极信号电流Ii为：
低增益单元的输出电流为偏置电流IE与信号电流Ii的叠加，偏置电流IE为共模项，信号电流Ii为差模项，两输出端410、411的信号电流等值反相。
同理可以得到当控制单元选择高增益单元工作时，两输出端的电流组成成分相同，只不过信号电流Ii变为：
式中RH小于RL。可见选择不同增益档位时，增益档位选择单元401对输入信号电压转换成信号电流的转换系数不同。
所述的电流增益微调单元402主要部件是两对共基级放大器，与本领域工作人员所公知的差分级联放大器相比多了一对共基级放大器Q5、Q6。理想的共基放大器Q3、Q4的电流增益为1，也称为续流器，将所述增益档位选择单元401的输出电流IE+Ii与IE-Ii无衰减的耦合到所述输出单元。本发明使用另一对并联的共基晶体管对Q5、Q6将所述增益档位选择单元401的输出电流作部分旁路，从而减小电流增益。
令第三晶体管Q3、Q4、Q5、Q6的集电极电流分别为I3、I4、I5、I6，则该可变增益放大器400的电流增益为：
通过改变I3、I5及I4、I6电流的比值达到控制增益的目的，这两个电流的比值受增益电压VG控制。
假设Q3、Q4、Q5、Q6拥有相同的VBE-IC特性，且α＝1，令节点410、411、412的节点电压分别为V0、V1、V2，根据集电极电流公式4个晶体管的集电极电流分别为：
由上面4组电流公式可以推导得到I3、I5及I4、I6的比值关系：
4路集电极电流与偏置电流IE及信号电流Ii的关系为：
I3+I5＝IE+Ii
I4+I6＝IE-Ii
由以上的推导可以得到：
可知输出电流的和I3+I4不包含信号电流分量，联立上面的方程组得到可变增益放大器的电流增益为：
由上式可得电流增益在0～1的范围内变化，与旁路电流I5+I6相关。假设节点416的电压固定不变，增大增益控制电压VG，由于运放U2的负反馈作用，同相端415的电压与VG相同也随之增大，电阻RG上的电流即I5+I6相应减小，则电流增益增大，
为了稳定放大器输出信号的共模电压，使得改变增益电压VG时输出共模电压不会随之相应变化，本发明利用运放U1的负反馈调节作用，电阻第一输出共模电压采样电阻R1、第二输出共模电压采样电阻R2采样得到输出共模电压连接到运放反相端并迫使其与运放U1同相端相连的设置电压VCM相等。运放U1的输出接电流电压转换电阻第一电流电压转换电阻RC1、第二电流电压转换电阻RC2的公共端416，当增大增益电压VG，使得电流I5+I6减小，则电流I3+I4相应增大，因为节点413、414的电平稳定为共模电压，所以运放U1的负反馈作用会迫使节点416的电压增大以满足电流I3+I4增大的需要。
令节点416的电压为V6，节点413、414的输出电压分别为共模电压VCM与信号电压vo、2的叠加，且信号电压等值反相，则容易得到下列方程组：
联立以上方程组可以得到该可变增益放大器的电流增益为：
输出电流I3、I4通过电流电压转换电阻第一电流电压转换电阻RC1、第二电流电压转换电阻RC2转换成输出电压，通过上述推导可以得到该可变增益放大器的电压增益为：
式中的分母项由增益档位选择单元401决定。
观察该可变增益放大器的电流增益公式可以发现放大器增益与VG呈线性相关关系，VBE-IC关系式中的指数项与温度相关项不见了。可见该可变增益放大器的增益线性度、温度稳定性都较好。
本发明在输出单元403加入了共模电压反馈调节，使得放大器输出共模电压能保持稳定，不随增益控制电压而变化。
本发明利用两并联增益单元，可以实现不同增益档位，根据输入输出信号范围与增益要求灵活调整，而且增益受控制电压调节，可以实现连续线性变化。具有增益调节灵活、增益调节范围宽，信号动态范围宽等优点。
作为上述实施例方案的改进，所述电流电压转换电阻第一电流电压转换电阻RC1、第二电流电压转换电阻RC2可以是由单纯的电阻，也可以是电容并联电阻构成，也可以是电阻并联电容再并联电感构成，也可是是电阻串联电感构成等。以使不改变增益的前提下补偿放大器的带宽和幅频响应曲线。
作为上述实施例方案的改进，所述增益档位选择单元401也可以由三个射极耦合晶体管对并联，以实现三个不同的增益档位，使得可变增益放大器的增益调节范围更宽。
作为上述实施例方案的改进，所述增益档位选择单元401的两个射极耦合第一晶体管对Q1L、Q2L与第二晶体管对Q1H、Q2H的发射极之间还可以连接一个电容，或者连接一个电容、电阻串联对，以使不改变增益的前提下补偿放大器的带宽和幅频响应曲线。
作为上述实施例方案的改进，所述输出共模电压反馈运放U1的输出端与节点416之间也可以插入一个由晶体管组成的射极跟随器，用于提供输出端的静态偏置电流，以减小运放U1的输出电流要求。
作为上述实施例方案的改进，所述输出单元403的差分输出电阻为2RC，输出端413、414也可以串联两个接成射极跟随器的晶体管以降低放大器的输出阻抗，提高放大器输出驱动能力，共模电压采样电阻接在射极跟随器的输出。
作为上述实施例方案的改进，所述电流增益微调单元402的基极偏置电压Vb可以是DAC产生，也可以是电源芯片产生，也可以是电源通过两个电阻分压产生，也可以是基准电压源产生，等等，基极偏置电压Vb的取值应该使放大器在整个增益调整范围内都不饱和。
作为上述实施例方案的部分优选方案，结合参考图5，所述增益档位选择单元401的偏置恒流源包括一个第一晶体管Q1、一个发射极偏置电阻RE、一个基极偏置电阻RB、一个与控制单元相连的控制信号端。控制单元控制第一晶体管Q1导通或者截止，当第一晶体管Q1导通，第一晶体管Q1输出电流2IE用于对放大器提供偏置，同时恒流源对应的增益档位打开；当恒流源工作在截止区，第一晶体管Q1输出电流为0，相应的增益档位关闭。控制信号为VEE截止或者合适的基极偏置电压导通。控制端可以接单刀双掷模拟开关，模拟开关的公共端接第一晶体管Q1的基极，一个触点悬空，另一个触点接合适的基极偏置电压。当模拟开关接悬空触点，则第一晶体管Q1基极电压由偏置电阻RB下拉至VEE，第一晶体管Q1截止；当模拟开关接偏置电压，则第一晶体管Q1导通。控制端也可以接电平转换单元，电平转换单元将常见的逻辑电平，如低电平0V，高电平5V转换成VEE和合适的基极偏置电压。
作为上述实施例方案的改进，可变增益放大器的静态偏置形式也可以是图6形式，该实施例在增益档位选择单元401与电流增益微调单元402之间增加一个正偏置，共基级Q3、Q4、Q5、Q6用PNP三极管替换，输出电阻公共端416负偏置。该实施例将增益档位选择单元401与电流增益微调单元402各晶体管的静态偏置电流分开单独提供，而且电流流向相反。增益档位选择单元401的第一晶体管Q1、Q2静态偏置电流由恒流源提供，流过Q1、Q2的静态电流对称，都为IE。电流增益微调单元402的第三晶体管Q3、Q4、Q5、Q6静态偏置电流由正电源VCC通过电阻RP1、RP2提供。令流过RP1、RP2的静态电流相同且都为IP，根据偏置条件可以得到：
则流过410、411的静态电流为I0＝IP-IE，且电流流向为由下向上。
该实施例将上下两级放大器的静态工作点分离开，电流流向相反，使得放大器输入信号可以刚好处于0电位点，放大器动态范围更宽，更不易饱和，对前级的信号电平要求更低，尤其对输出共模电压较低的应用场合，若使用图4的实施例，则整个放大器的静态工作点都要降低以避免晶体管饱和，而使用图6的实施例则不存在这种问题。
下面以示波器为例，给出一个本发明具体的应用实施例。
结合参考图7，示波器包含一个高阻衰减网络、一个交直流耦合电路、一个单位增益缓冲电路、一个垂直偏移电路、一个可变增益放大电路、一个模数转换电路和一个控制处理单元。被测信号进入示波器后首先通过高阻衰减网络对输入的大信号进行衰减，以使信号符合后级电路的输入要求，高阻衰减网络具有可控的衰减比，例如可以选择衰减比为1/1或者1/50等；交直流耦合电路用于选择是否滤除输入信号中的直流成分，当输入信号的直流成分过大，影响波形的观察，就可以选择交流耦合；垂直偏移电路用于调节波形在显示器上的垂直位置，增加波形观察的灵活性；单位增益缓冲电路对输入信号进行缓冲，隔离前后级电路之间的影响，增加对后级的驱动能力。输入信号经过高阻衰减网络、交直流耦合电路、单位增益缓冲电路、垂直偏移调节电路后输出给可变增益放大器进行增益调节，增益受控制处理单元控制，输出差分信号给模数转换器；模数转换器对模拟信号进行采样量化，转换成数字信号，并传输给控制处理单元；控制处理单元对采样量化的数字信号进行波形重构并显示，同时根据用户设置对模拟通道相关部件进行控制。
示波器中的可变增益放大器如图6的实施例所述，包括一个增益档位选择单元401、一个电流增益微调单元402、一个输出单元403。
所述的增益档位选择单元401根据示波器当前的垂直档位设置选择相应的增益范围，可以选择低增益模式X1或者高增益模式X8。比如当示波器需要测量小信号，垂直档位置为5mV/div档位时，需要较大的增益，控制单元将高增益单元的恒流源导通，低增益单元的恒流源关断，则选择当前增益为高增益X8。
所述的电流增益微调单元402使用一种变形形式，将该部分的晶体管偏置电流单独提供，并与增益档位选择单元401部分晶体管的偏置电流流向相反，使得放大器动态范围更宽，更不易饱和。电流增益微调单元402对增益档位选择单元401的输出电流进行微调衰减，扩展可变增益放大器的可调增益范围。比如当示波器的垂直档位置为10mV/div时，放大器需要4倍增益，选择高增益档位放大8倍，并且调节电流增益微调衰减2倍，即可得到需要的4倍增益。
所述的输出单元403使用一种变形形式，输出端增加一对由晶体管Q8、Q9组成的射极跟随器，降低输出阻抗，提高输出驱动能力。输出单元将放大、衰减后的信号电流转换成电压输出，并使用共模电压反馈稳定输出信号的共模电平。
可变增益放大器根据示波器当前的垂直档位灵活设置增益，可选增益档位加增益微调可以实现0.1～8倍的增益连续可调，根据输入输出信号范围与增益要求灵活调整。本发明具有增益调节灵活、增益调节范围宽，信号动态范围宽等优点。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种线性可变增益放大器，其特征在于：
包括增益档位选择单元、电流增益微调单元、输出单元以及控制单元，其中：
所述增益档位选择单元包括一对差分信号输入端，并包括至少两个增益单元，以将输入的电压信号转换成电流信号，并根据档位选择实现不同的电流增益；
所述电流增益微调单元包括一对用于接收所述增益档位选择单元输出电流的差分电流输入端、一对用于连接所述输出单元的差分电流输出端，以及用于与所述控制单元连接的控制信号端，以根据所述控制单元的设置对所述增益档位选择单元的输出电流部分旁路，从而达到减小电流增益的目的；
所述输出单元接收所述电流增益微调单元的输出电流并转换成电压，并将转换得到的电压输出。
2.如权利要求1所述的一种线性可变增益放大器，其特征在于：
每个所述增益单元都包括恒流源，所述恒流源与所述控制单元连接，用于控制恒流源的开关状态从而切换当前工作的增益单元。
3.如权利要求2所述的一种线性可变增益放大器，其特征在于：
所述增益档位选择单元包括第一晶体管对(Q1L、Q2L)与第二晶体管对(Q1H、Q2H)，第一增益电阻对(RL1、RL2)与第二增益电阻对(RH1、RH2)，以及两个偏置恒流源；
第一晶体管对(Q1L、Q2L)与第二晶体管对(Q1H、Q2H)并联，第一晶体管对(Q1L、Q2L)的第一低增益晶体管(Q1L)的基极与第二晶体管对(Q1H、Q2H)的第一高增益晶体管(Q1H)的基极连接并与正输入信号+Vi/2相连，第一晶体管对(Q1L、Q2L)的第二低增益晶体管(Q2L)的基极与Q2H的基极连接并与负输入信号-Vi/2相连，两输入信号等值反相；第一低增益晶体管(Q1L)的集电极与第一高增益晶体管(Q1H)的集电极相连于节点(410)产生正输出电流，第二低增益晶体管(Q2L)的集电极与第二晶体管对(Q1H、Q2H)的第二高增益晶体管(Q2H)的集电极相连于节点(411)产生负输出电流；第一晶体管对(Q1L、Q2L)的发射级分别与第一增益电阻对(RL1、RL2)的两个增益电阻连接，第二增益电阻对(RH1、RH2)的另一端连接到偏置恒流源；第二晶体管对(Q1H、Q2H)的发射级分别与第二增益电阻对(RH1、RH2)的两个增益电阻连接，第二增益电阻对(RH1、RH2)的另一端连接到另一偏置恒流源；所述偏置电流源由控制单元控制开关，当偏置恒流源打开则相应的增益档位也选中。
4.如权利要求3所述的一种线性可变增益放大器，其特征在于：
所述电流增益微调单元包括第三晶体管对(Q3、Q5)与第四晶体管对(Q4、Q6)，以及一个第二运放(U2)；
所述第三晶体管对(Q3、Q5)的发射级相耦合并连接到所述增益档位选择单元的正电流输出端，第四晶体管对(Q4、Q6)的发射极相耦合并连接到所述增益档位选择单元的负电流输出端；第三晶体管对(Q3、Q5)的第三晶体管(Q3)与第四晶体管对(Q4、Q6)的第四晶体管(Q4)的基极相连并连接到偏置电压Vb，第三晶体管对(Q3、Q5)的第五晶体管(Q5)与第四晶体管对(Q4、Q6)的第六晶体管(Q6)的基极相连并连接到第二运放(U2)的输出端，第五晶体管(Q5)与第六晶体管(Q6)的集电极相连并连接到第二运放(U2)的同相端，第二运放(U2)的反相端连接到增益控制电压VG，所述增益控制电压VG由控制单元产生；第三晶体管(Q3)的集电极产生正输出电流，第四晶体管(Q4)的集电极产生负输出电流。
5.如权利要求4所述的一种线性可变增益放大器，其特征在于：
所述输出单元包括第一电流电压转换电阻(RC1)、第二电流电压转换电阻(RC2)，第一输出共模电压采样电阻(R1)、第二输出共模电压采样电阻(R2)，一个用于输出共模电压反馈的第一运放(U2)，以及一个电阻(RG)；
所述电流电压转换电阻第一电流电压转换电阻(RC1)、第二电流电压转换电阻(RC2)一端分别连接至所述电流增益微调单元的电流输出端，另一端一起连接到第一运放(U2)的输出；所述电阻(RG)一端连接到第二运放(U2)的同相端，另一端连接到第一运放(U2)的输出端；所述输出共模电压反馈采样电阻第一输出共模电压采样电阻(R1)、第二输出共模电压采样电阻(R2)一端分别连接至所述电流增益微调单元的电流输出端，另一端一起连接到第一运放(U2)的反相端。
6.如权利要求5所述的一种线性可变增益放大器，其特征在于：
所述电流电压转换电阻第一电流电压转换电阻(RC1)、第二电流电压转换电阻(RC2)分别并联有电容，或分别并联有电容在分别并联电感，或分别串联电感，以使不改变增益的前提下补偿带宽和幅频响应曲线。
7.如权利要求5所述的一种线性可变增益放大器，其特征在于：
所述增益档位选择单元由三个或以上射极耦合晶体管对并联，以实现不同的增益档位，使增益调节范围更宽。
8.如权利要求5所述的一种线性可变增益放大器，其特征在于：
所述第一晶体管对(Q1L、Q2L)的发射极与所述第二晶体管对(Q1H、Q2H)的发射极之间连接有电容，或串联有电容及电阻，以使不改变增益的前提下补偿带宽和幅频响应曲线。
9.如权利要求5所述的一种线性可变增益放大器，其特征在于：
所述第一运放(U2)的输出端连接有射极跟随器，用于提供所述第一运放(U2)输出端的静态偏置电流，以减小第一运放(U2)的输出电流要求。
10.如权利要求5所述的一种线性可变增益放大器，其特征在于：
所述偏置恒流源包括第一晶体管(Q1)，所述第一晶体管(Q1)的发射极连接有发射极偏置电阻(RE)，所述第一晶体管(Q1)的发射极与基极之间连接有基极偏置电阻(RB)，且所述第一晶体管(Q1)的基极设有与控制单元相连的控制信号端。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710017902.XA CN106941343A (zh) | 2017-01-10 | 2017-01-10 | 一种线性可变增益放大器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710017902.XA CN106941343A (zh) | 2017-01-10 | 2017-01-10 | 一种线性可变增益放大器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106941343A true CN106941343A (zh) | 2017-07-11 |
Family
ID=59468609
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710017902.XA Pending CN106941343A (zh) | 2017-01-10 | 2017-01-10 | 一种线性可变增益放大器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106941343A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108183696A (zh) * | 2018-03-06 | 2018-06-19 | 厦门优迅高速芯片有限公司 | 一种低压高速可编程均衡电路 |
| CN109595774A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-04-09 | 广东美的制冷设备有限公司 | 空调器的采样检测电路和空调器 |
| CN112583408A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-03-30 | 上海贝岭股份有限公司 | 可变增益的逐次逼近型的模数转换器以及片上系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4401950A (en) * | 1980-12-05 | 1983-08-30 | Motorola, Inc. | Low-voltage, complementary symmetry class B amplifier arrangement |
| US4695806A (en) * | 1986-04-15 | 1987-09-22 | Tektronix, Inc. | Precision remotely-switched attenuator |
| CN101788407A (zh) * | 2010-01-22 | 2010-07-28 | 哈尔滨工业大学 | 一种低冲击分离装置的分离参数测量装置及方法 |
| CN103368514A (zh) * | 2012-03-29 | 2013-10-23 | 北京普源精电科技有限公司 | 一种具有可变增益放大器的测量装置 |
| CN205195660U (zh) * | 2015-11-16 | 2016-04-27 | 江西科技学院 | 一种宽带放大装置 |
-
2017
- 2017-01-10 CN CN201710017902.XA patent/CN106941343A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4401950A (en) * | 1980-12-05 | 1983-08-30 | Motorola, Inc. | Low-voltage, complementary symmetry class B amplifier arrangement |
| US4695806A (en) * | 1986-04-15 | 1987-09-22 | Tektronix, Inc. | Precision remotely-switched attenuator |
| CN101788407A (zh) * | 2010-01-22 | 2010-07-28 | 哈尔滨工业大学 | 一种低冲击分离装置的分离参数测量装置及方法 |
| CN103368514A (zh) * | 2012-03-29 | 2013-10-23 | 北京普源精电科技有限公司 | 一种具有可变增益放大器的测量装置 |
| CN205195660U (zh) * | 2015-11-16 | 2016-04-27 | 江西科技学院 | 一种宽带放大装置 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108183696A (zh) * | 2018-03-06 | 2018-06-19 | 厦门优迅高速芯片有限公司 | 一种低压高速可编程均衡电路 |
| CN108183696B (zh) * | 2018-03-06 | 2023-10-10 | 厦门优迅高速芯片有限公司 | 一种低压高速可编程均衡电路 |
| CN109595774A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-04-09 | 广东美的制冷设备有限公司 | 空调器的采样检测电路和空调器 |
| CN112583408A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-03-30 | 上海贝岭股份有限公司 | 可变增益的逐次逼近型的模数转换器以及片上系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100523736C (zh) | 输出放大电路及采用该输出放大电路的传感器装置 | |
| CN103414442B (zh) | 基于斩波技术的高精度全差分放大器 | |
| CN103248330B (zh) | 一种高增益精度的可编程增益放大器 | |
| US8593223B2 (en) | Automatic gain control circuit | |
| CN106941343A (zh) | 一种线性可变增益放大器 | |
| CN207817038U (zh) | 一种电流测量电路和万用表 | |
| CN212343738U (zh) | 漂移电压校正电路、集成电路和电子设备 | |
| CN106841731A (zh) | 一种提高直流精度的示波器前端处理电路 | |
| CN103368514B (zh) | 一种具有可变增益放大器的测量装置 | |
| CN106301264B (zh) | 一种摆率增强型运算放大器 | |
| CN102035483B (zh) | 运算放大器 | |
| CN100527607C (zh) | 差分放大器 | |
| US4091333A (en) | Transconductance amplifier circuit | |
| CN103580628B (zh) | 基于多输出跨导放大器的仪器放大器 | |
| US7893746B1 (en) | High speed intra-pair de-skew circuit | |
| CN111416580B (zh) | 一种可变增益和带宽稳定的微小幅度信号预放大电路 | |
| CN208079023U (zh) | 一种宽带程控增益运放电路 | |
| CN114489206B (zh) | 一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统 | |
| CN112886934B (zh) | 输入输出电压可调的可编程增益放大器 | |
| US6211731B1 (en) | Impedance altering apparatus | |
| Kolm et al. | A 3rd-order 235MHz low-pass gmC-filter in 120nm CMOS | |
| CN211063578U (zh) | 一种电压自动补偿的t型电阻网络跨阻放大电路 | |
| CN208731209U (zh) | 一种操纵杆通讯控制系统 | |
| CN108390653A (zh) | 一种宽带程控增益运放电路 | |
| CN108768311B (zh) | 一种非线性调节器及其死区电路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170711 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |